5G通信定位一体化网络发展趋势探析

［张紫璇 黄劲安 蔡子华］

1 引言

在基于位置的服务（Location Based Services,LBS）中，以GPS等为代表的定位网络广泛地渗透到室外导航、电子商务、社交网络等不同领域，并充分发挥了积极的作用。然而，随着智慧城市进程的加速，人们对定位服务的需求与日俱增，传统定位网络由于自身的局限性，无法满足更高精度、更广泛场景的应用。以GPS为例，该技术的民用定位精度受限（民用信号采用伪随机码，测距精度在29.3m至2.93m之间），且由于建筑物导致的信号衰减，在室外密集城区场景或室内场景通常难以完成导航定位。而基于WiFi、ZigBee、iBeacon等微定位技术的专用定位网络虽然不同程度地弥补了GPS在室内定位的不足，但均严重依赖于不同的基础设施支撑，其部署成本高、覆盖范围有限，难以大规模推广建设。此外，由于技术标准各异，也难以形成统一的融合定位网络。

蜂窝无线网络拥有广泛部署的节点，且网络自身存在对终端定位的诉求（例如，通过UE位置信息的实时获取，可以辅助eNodeB合理调度上行传输资源或实现精准的波束赋形）。因此，如以现有蜂窝移动通信系统为基础，叠加基础定位功能，即实现高精度蜂窝无线定位，将能够最大限度地降低定位网络的部署成本，同时实现通信、定位双向需求的一体化承载。

2 蜂窝无线定位技术发展

典型的蜂窝无线定位网络包含信标（Target）、服务器（Server）、客户端（Client）三类主要网元。信标即是待定位的终端。服务器通常是由核心网（CN）侧和无线接入网（RAN）侧的网元共同构成，通过协作收集定位相关的信息来测算出信标的地理位置。客户端则是发送网络定位请求的入口，既可以是信标自身，也可以是第三方接口。为了准确测算出信标的位置，服务器必须依赖于环境或信标自身相关的测量信息，并选择合适的定位算法。随着蜂窝移动通信制式的演进，蜂窝无线定位技术也有长足的发展。

2.1 蜂窝无线定位技术

目前3GPP标准中的蜂窝无线定位技术较为丰富。梳理2G至4G标准中的通信定位方法，可以发现，随着移动通信制式的演进，定位的方法逐步增加和完善，且定位精度也逐步提升。其中，主流的蜂窝无线定位技术大致包含以下四大类，如图1所示。

（1）基于小区标识符（CID-based）的定位技术：该技术从定位原理上可归为邻近探测法（Proximity Detection），即通过某些有范围限制的物理信号的接收，来判断信标是否出现在某一发射点的附近。典型如2G网络中的CID定位。由于UE在进行位置更新、寻呼、切换等操作时均会向系统上报当前服务小区的位置信息，因而可以借助小区标识符来估计UE的当前位置。这种定位方法成本低、易于实现，但其定位精度受限于发射点/小区的布设密度和信号覆盖范围。GSM小区理论上覆盖距离可达35km，在该条件下，CID定位性能极低，须借助TA（Time Advance）等信息提高定位精度。3G网络在CID的基础上，添加RTT（Round Trip Time）信息进行定位校正。4G网络则引入E-CID定位的方法，增加了AOA（Arrival of Angle）等信息辅助定位，其定位精度可达150m的量级。

（2）基于距离测量（Range-based）的定位技术：该技术可归入多边定位法（Multilateration），是通过测量信标到已知参考点之间的距离，从而确定信标的位置。常见的有TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference of Arrival）等定位方法。TOA定位又称圆周定位，其原理是，通过测量信标到基站的参考信号到达时间，换算出信标与基站之间的距离Ri，则待定位信标的位置必处于以该基站为圆心，测量距离为半径Ri的圆上。当基站数为M（M≥3）时，M个圆必相交于一点，该交点即为待定位信标的位置。TDOA定位则为双曲线定位。由双曲线的定义知，到两个定点距离之差为恒定值的点可以构成一条双曲线。那么，由信标对基站进行监听，并测量出信号到达两个基站的时间差，每两两基站可以得到一个测量值并形成一个双曲线定位区域，3个基站就可以得到两个双曲线定位区，通过求解出其交点便可得到信标的确切位置。由于TDOA测量的是时间差而非绝对时间，因而其应用更为普遍。在2G网络中，E-OTD（Enhanced Observed Time Difference）是TDOA的改进，其精度可达50～300m。3G及4G网络中的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）则将精度提升至50～200m。

（3）基于角度测量（Angle-based）的定位技术：该技术属于三角定位法（Triangulation）的范畴。典型的有AOA，即在获取信标相对两个已知参考点的角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一的三角形，即可确定信标的准确位置。AOA受限于天线阵列数目，在现网条件下受多径效应的影响较大，在实际中使用较少，通常作为辅助定位的手段。

（4）融合定位（Hybrid positioning）技术：该技术不再局限于通过蜂窝网络进行定位，而是融合了多种有效的定位方法。典型的有A-GPS、A-GNSS以及指纹定位（Fingerprinting）等。A-GPS是一种结合了蜂窝网络基站信息和GPS信息对信标进行定位的技术，通过蜂窝网先进行粗略定位，然后根据当前的粗略位置有目的地搜索卫星以获取精确定位。A-GPS有效地解决了传统GPS冷启动时搜星速度缓慢的问题，在提高定位速度的同时也保证了定位精度，一般可达10～50m，因而在3G网络中得到较广的应用。4G网络中的A-GNSS技术同步引入了伽利略、北斗等卫星导航系统，其精度进一步提升至10m及以下。此外，在现网中逐渐成熟并商用的融合定位技术还有指纹定位。指纹定位通常包括离线校准和实际定位两个阶段，其优势在于几乎无需任何参考测量点，且定位精度非常高，但也存在前期离线建立指纹库的工作量巨大、难以自适应环境变化等问题。

2G至4G网络中的蜂窝无线定位技术总结如表1所示。由表中可见，融合定位的精度相对最高，基于距离测量的定位技术次之，基于小区标识符的定位精度相对最弱。但反之，基于小区标识符的定位速度远高于融合定位，而基于距离测量的定位技术响应速度居中。

图1 蜂窝无线定位的基本方法

表1 2G～4G蜂窝无线定位技术及其性能

2.2 现有定位技术不足

在现有的蜂窝无线定位技术中，非融合定位的方法普遍存在定位精度不高的问题。这是由于，蜂窝无线网与定位网虽然存在双向需求，但二者从设计原则的根本上是不同的。从布点密度的角度看，蜂窝网追求用尽可能少的基站实现更大范围的覆盖，从而降低网络部署成本，而定位网络在很大程度上依赖于加密布点以提高定位精度；从信号接收的角度看，蜂窝网追求接收信号强度的最大化，降低来自相邻基站的信号干扰（例如，RSRP和SINR均是蜂窝网网络质量的重要指标），而定位网络则依赖于更多基站信号的接收，且其检测的是最早到达的信号而非强度最大的信号。蜂窝网与定位网的上述差异化需求，决定了非融合定位的方法从本质上无法提供亚米级的定位能力。

融合定位方法的定位精度整体上高于非融合定位，但其室内定位的能力受限。而随着5G业务应用的不断催生，新兴应用对定位服务提出了更高要求。由于这类基于LBS的新兴应用大多数时间都是伴随着人们的室内活动，因而要求蜂窝无线定位网络也能实现包括室内空间在内的特殊场景的覆盖，以提供室内外体验一致的无缝定位连接（一般要求达到3m以下的室内定位精度）。故而，A-GPS、A-GNSS等技术在室内定位仅能处于从属的地位。

综上，由于现有蜂窝无线定位技术存在定位精度低或室内覆盖不足的问题，急需建立一张能够满足室内外一致化定位需求的网络，以适应5G时代物联网和智能化对通信和定位的升级需求。

3 5G通信定位一体化网络

5G网络具有超密集异构组网的特点，以其海量的基站作为基础，构建通信定位一体化网络，既能最大限度降低定位网络的部署成本、实现室内外一体化高精度定位、提高定位终端兼容性，也能迎合5G业务中LBS类的应用生态。而构建5G通信定位一体化网络可以从两方面入手：第一是借助5G新技术增强蜂窝网自身的定位功能；第二是借助5G多网络融合（Multi-RAT）的契机，引入WiFi定位、iBeacon定位等技术，实现异构定位系统的融合。

3.1 蜂窝定位性能增强

图2 5G通信定位一体化网络

5G网络中的若干使能技术，如超密集网络（UDN）、大规模阵列天线（Massive MIMO）、D2D通信等技术，既能大幅提升单位面积的频谱效率、成倍增加网络的容量、满足通信网络需求，同时也具备定位功能增强的潜能。

UDN技术的引入，决定了5G将是由负责基础覆盖的宏站与承担热点覆盖的低功率小站（如Micro、Pico、Femto等）构成的多层覆盖异构网。网络节点的成倍增长，以及站间距的缩小，有助于CID-based定位技术的精度提升。而对于Range-based定位技术，由于小站呈无定形形态（一般可用PPP点过程进行建模），多边定位的条件更易满足。因此，借助UDN技术实现蜂窝定位性能的增强是必然趋势。

Massive MIMO技术的应用为5G网络解决AOA定位由于多径和非视距环境导致的误差大的问题提供了可能。在实际工程应用中，由于AOA定位的环境通常存在多径效应，基站所接收到的信标的上行信号是NLOS信号和LOS信号的合成，而仅有LOS信号能够精确表征信标与基站之间的到达角。在传统蜂窝网络中，分离并获取LOS信号的实现成本相对较高。而Massive MIMO天线能产生定向的窄波束，窄波束对准的方向就是信标上行信号的到达方向AOA，因而在5G网络中可以容易地获取来自两个基站的AOA测量值，进而计算出信标的准确位置。

D2D通信技术在室内空间、大型商业综合体室外区域等特殊场景下对定位服务的辅助作用最为明显。通过终端直连，待定位信标所处环境下的其他终端均可以扮演类似于蜂窝网中的基站或WIFi网络中的AP的角色，为信标提供参考信号到达时间差或到达角的测量服务，从而保证了信标与基站弱连接甚至无连接条件下的定位精度。

3.2 异构定位系统融合

图3 5G蜂窝定位性能增强技术

传统蜂窝网络已实现了通信网与GNSS定位网络的初步融合，但受限于其蜂窝网定位和卫星定位自身的缺点和适用范围，综合2种或2种以上的定位技术以实现更高定位精度、更快定位速度、更广定位范围将是重要趋势。而5G对Multi-RAT的支持，为蜂窝网融合GNSS、WiFi、ZigBee、iBeacon等技术，实现异构定位系统的互补和误差矫正提供了基础条件。

融合的5G异构定位系统需要通过合理的定位决策机制的设计，才能具备提供亚米级室内外一致化定位服务能力的条件。定位决策机制的设计主要包括：干扰克服、场景智能识别、位置结果融合、定位算法、路径拟合等。首先，在多系统共存环境下，需要引入有效的干扰协调技术，既满足通信系统的正常运行，也能兼顾定位网同时接收多个基站/位点信号的需求。随后，由于不同定位技术的适应范围不同，5G异构定位系统必须准确、智能地识别出信标当前所处的环境，以便根据实际情况优先选用性能最优的定位系统（例如，室内场景下采取WiFi定位结合蜂窝定位的方法，室外场景下选用A-GNSS的定位方法）。同时，场景智能识别技术还需支持高移动性，以随时适应环境的切换。紧接着，系统需具备位置结果融合的能力，通过多个系统定位结果的互补，有效降低定位误差，提升定位精度。而位置结果融合的效果取决于定位算法的设计。最后，考虑到LBS应用中，定位与导航往往是一体两面的，5G异构定位系统还需实现路径拟合的能力，即通过定位结果与电子地图的拟合，去除不合理的定位结果（例如禁行、穿墙、悬空等），从而保证导航的可用性。

图4 5G异构定位系统定位决策机制的设计

4 结束语

借助5G网络中UDN、Massive MIMO、D2D等使能技术辅助提升蜂窝网自身定位精度，并迎合Multi-RAT的趋势融合多种定位方法以实现室内外协同一体化定位服务，是构建5G通信定位一体化网络的重要解决思路，而构建5G通信定位一体化网络是满足未来移动互联网与物联网高精度融合定位需求的最佳解决方案。文章对此做了简要的探讨和分析，希望能在一定程度上对实际的工程部署提供借鉴。